O ciclo de ar-padrão Brayton é uma aproximação dos processos que acontecem nas turbinas a gás, em outras palavras, é o ciclo ideal dos motores de turbina a gás. Os motores de turbina a gás reais, operam em um ciclo aberto, conforme a imagem abaixo.
O ciclo de turbina a gás pode ser idealizado (ciclo Brayton) e modelado como um ciclo fechado a partir da assunção de algumas hipóteses. Vejamos:
• O fluído de trabalho é uma quantidade fixa de ar, que é assumido como gás ideal com calores específicos constantes.
• Não existe processo de admissão e descarga.
• O processo de combustão cede lugar a uma transferência de calor por uma fonte externa.
• Todos os processos são internamente reversíveis.
Por meio destas hipóteses, a figura abaixo representa o ciclo Brayton e seus diagramas p-v e T-s.
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Por meio das idealizações os seguintes processos ocorrem no ciclo Brayton:
• Processo 1-2: Compressão isentrópica quando ar atravessa o compressor
• Processo 2-3: Fornecimento de calor ao por meio de uma fonte externa a pressão constante.
• Processo 3-4: Expansão isentrópica na turbina, gerando trabalho.
• Processo 4-1: Rejeição de calor a pressão constante para uma fonte externa.
Cabe destacar que o ciclo Brayton ocorrem entre 2 linhas de pressão constante, portanto a razão entre as pressões (rp) é importante.
𝑟𝑝 =𝑃2 𝑃1 =𝑃3
𝑃4
A razão entre as pressões não é a taxa de compressão.
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A razão máxima de pressão no ciclo Brayton é limitada pela máxima temperatura do ciclo, que ocorre no final do processo de combustão (3) e está temperatura é limitada pela resistência do material das palhetas da turbina.
Desconsiderando-se as irreversibilidades ocasionadas pela circulação de ar pelos diversos componentes do ciclo Brayton, não ocorre perda de carga por atrito e o ar escoa a pressão constante pelos trocadores de calor. Além disso, ignorando as perdas por transferência de calor para o ambiente no compressor e na turbina os processos através destes são isentrópicos.
Prezado aluno (a), note que todos os ciclos de potência a ar possuem suas similaridades e com o ciclo Brayton não é diferente, pois as áreas nos diagrama T-s e p-v indicam o calor e o trabalho, respectivamente.
No diagrama T-s a área 2-3-a-b-2 representa o calor adicionado por unidade de massa, e a área 1-4-a-b-1 demonstra o calor rejeitado por unidade de massa. No digrama p-v a área 1-2-1-4-a-b-1 representa o trabalho fornecido ao compressor por unidade de massa e a área 3-4-b-a-3 indica o trabalho produzido pela turbina. As áreas de cada figura indicam o trabalho líquido produzido e o calor líquido absorvido.
Eficiência térmica
Para encontrarmos as transferências de energia em forma de calor em trabalho em cada componente do ciclo Brayton, realizando as assunções necessárias, as seguintes expressões podem ser utilizadas:
𝑊̇𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 E assim a eficiência térmica do ciclo pode ser obtida por:
𝜂 =
Uma maneira de se aumentar a eficiência térmica de um ciclo Brayton se dá através do aumento da relação de pressão no compressor.
A eficiência térmica do ciclo Brayton das turbinas a gás que operem entre dois níveis de temperatura fixos será tanto maior quanto maior for a razão entre as pressões da substância de trabalho depois e antes do processo de compressão do ciclo.
A razão do trabalho reverso para o ciclo Brayton é dada por:
𝑏𝑤𝑟 =
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Uma parte relativamente grande do trabalho produzido pela turbina é requerida para acionar o compressor no ciclo Brayton. Isso se deve ao fato que o volume específico do gás que escoa pelo compressor é muito maior do que o líquido que passa por uma bomba de um ciclo de potência a vapor, por exemplo.
Razões de trabalho reversos típicos em turbinas a gás variam entre 40% e 80%. Ou seja, uma parte significativa do trabalho é usada para acionar o compressor. Comparando-se as razões de trabalho reverso de instalações de potência a vapor que são normalmente entre 1% e 2%.
Dando sequência!
Recomenda-se que ciclos de turbina a gás operem no modo combinado, de forma a se incrementar a eficiência global da planta de geração. Nesse sentido, na situação em que apenas o ciclo Brayton esteja em operação e o ciclo vapor, em planejamento, a utilização de um regenerador de calor pode elevar a eficiência do ciclo Brayton, desde que o ciclo Rankine não esteja operacional. Essa estratégia é recomendável se o retorno financeiro da economia de combustível cobrir o investimento inicial, admitindo-se que fatores econômicos prevaleçam na análise.
(CESGRANRIO/PETROBRAS - 2018) Numa turbina a gás simples, o trabalho no compressor e na turbina valem 350 kJ/kg e 600 kJ/kg, respectivamente. Sabe-se que a eficiência desses equipamentos é de 80%, e que 750 kJ/kg de calor são trocados no trocador de calor de alta temperatura.
Sendo assim, o rendimento aproximado dessa turbina é de a) 28,5%
b) 33,3%
c) 46,7%
d) 63,3%
e) 80,0%
Wcompressor
Wlíquido
Wturbina
bwr
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Comentário:
A alternativa E está CORRETA e é o gabarito da questão.
Nesta questão a banca propôs uma enorme PEGADINHA para o candidato. Note que é dada e eficiência da turbina e do compressor no enunciado e é solicitado o rendimento da turbina ou seja, é igual a eficiência fornecida de 80%, contudo, vamos calcular a eficiência térmica do ciclo a caráter de aprendizado:
𝜂 =
Prezado aluno (a), note que a eficiência térmica do ciclo é uma das alternativas da questão, induzindo a maioria dos candidatos ao erro. Sempre fique atento aos enunciados das questões para quando se deparar com uma pegadinha utilizar ela a seu favor e ganhar tempo durante a sua prova.
Agora, para incrementar nossos conhecimentos, devemos saber que algumas câmaras de combustão de turbinas a gás utilizam injeção de água para diminuir a temperatura da chama, o que, consequentemente, possibilita baixos índices de emissão de NOx. Apesar do resfriamento, a eficiência térmica do ciclo não é reduzida se comparado com outro ciclo semelhante que não utiliza esse artifício.
Em relação à classificação das turbinas a vapor, quanto ao sentido do escoamento do vapor, as turbinas a vapor axiais são usadas para maiores capacidades e vazões de vapor e produzem eficiências mais elevadas que as turbinas radiais.
Além disso, nas turbinas a vapor existem as palhetas móveis que giram e as palhetas fixas sendo que estas últimas acham-se presas na carcaça.
Encerramos aqui o estudo do ciclo Brayton, vamos agora ao estudo do ciclo Stirling.